蘭渝鐵路兩水隧道高地應力軟巖大變形控制技術

趙福善

(中鐵十六局集團有限公司，天津 3 00162)

0 引言

隨著我國鐵路建設的不斷發展，尤其是高速鐵路和客運專線的大量修建，隧道建設規模和技術水平也踏上了新臺階。隧道位于山區且埋于地下，修建過程中不可避免地會遇到各種各樣的復雜環境和不良地質，高地應力軟弱圍巖大變形就是其中之一。

對于軟弱圍巖大變形控制技術的研究已有不少，如:張祉道［1］總結分析了國內外軟巖大變形的工程實例，提出了軟巖大變形的定義及現場判定和預測方法，并給出了設計與施工建議。李國良等［2］結合烏鞘嶺隧道地質特性及變形特征，研究了F7工程活動性斷層變形控制及通過技術。趙旭峰等［3］分析了烏鞘嶺隧道軟弱圍巖擠壓性大變形的力學特性，探討了大變形的力學機理及其影響因素，并給出了相應的控制措施。目前，國內外對于在不同地質條件下高地應力對隧道工程的影響特性尚難取得統一認識，尤其是針對軟巖隧道高地應力的影響特性、支護變形控制、結構形式及施工方法上仍有待進一步研究。因此，本文依托蘭渝鐵路兩水隧道工程，以現場測試和理論分析為手段，從圍巖強度應力比、初始地應力場、支護抗力、開挖斷面大小等方面，總結分析了軟巖大變形的變形規律和控制技術，進一步優化和完善了軟巖施工工法、支護時機和支護形式，提出了軟巖大變形分級及其對應的支護參數，最終實現了兩水隧道變形可控和安全順利施工。

1 工程概況

兩水隧道位于甘肅省武都區白龍江中山區，設計為單洞雙線隧道，全長4 922 m，隧道最大埋深約346 m，地質條件極為復雜，洞身巖層主要為志留系中千枚巖及炭質千枚巖(見圖1)，巖質較軟，揉皺及構造節理發育，受構造影響嚴重，巖層產狀多變，巖體破碎，呈塊狀、碎塊狀(見圖2)，完整性極差。其中炭質千枚巖地層長約3 662 m，占隧道全長的74%。

圖1 兩水隧道炭質千枚巖Fig．1 Carbonaceous phyllite of Liangshui tunnel

圖2 兩水隧道壓碎巖Fig．2 Crushed rock of Liangshui tunnel

測試顯示兩水隧道以水平地應力為主，且地應力分布不均勻，圍巖強度應力比僅為0．07，屬極高地應力［4］。通過采用擠壓潛能系數預測高地應力軟巖擠壓程度的方法［5］，初步判定其為極高地應力條件下的中度-嚴重擠壓性巖體。

受高地應力、地下水及地質構造等影響，施工過程中出現了擠壓性大變形，洞身出現長段落的初期支護開裂和拆換現象，坍塌事故頻出，嚴重影響施工安全及工期。

2 兩水隧道軟巖大變形及破壞特征

2．1 軟巖大變形特征

2．1．1 掌子面穩定性差、擠出位移大

隧道掌子面穩定性差，縱向擠出位移明顯，開挖后6 d掌子面發生內部縱向位移127 mm，如圖3所示。因儀器損壞無法繼續測量，通過理論推算掌子面縱向擠出位移可達500～600 mm。掌子面開挖影響長度約為2．5D(洞徑)，影響范圍大，變形難以控制，極易導致掌子面失穩滑坍。

圖3 掌子面內部縱向位移量測結果Fig．3 Ⅰnternal longitudinal deformation of working face

2．1．2 總變形量大

隧道開挖后，兩水隧道呈顯著的塑性變形，變形以拱頂下沉為主。實測數據(見圖4)表明，一般段變形數值均可達數百毫米，拱頂下沉最大達761．9 mm，采用雙層支護后變形仍無法控制，最大變形仍達300 mm左右。

2．1．3 前期變形迅猛且變形速率高

兩水隧道圍巖具有巖性軟、完整性及穩定性差的特點，開挖后，早期來壓及前期變形快，變形速率非常高，初期變形速率達40 mm左右，變形在前20 d內呈直線變化，平均變形速率達20 mm/d，最大變形速率達107 mm/d，20 d后變形速率逐漸下降，但變形仍未穩定。拱頂下沉速率時間曲線如圖5所示。

圖5 拱頂下沉速率時間曲線Fig．5 Crown settlement rate of Liangshui tunnel Vs time

2．1．4 變形持續時間長

由于軟巖具有低強度和強烈的流變性，隧道開挖后，圍巖的應力重分布及軟巖隧洞變形破壞持續時間長，且與施工的多次擾動密切相關。在初期線性變形后，變形并未穩定，甚至部分段落變形有加速現象，不收斂趨勢明顯。如兩水隧道DK357+773．3段在施作二次襯砌后，隧道持續變形(見圖6)，并最終因變形過大導致二次襯砌裂損、鋼筋扭曲外鼓，結構破壞。

圖6 兩水隧道DK357+773．3斷面二次襯砌變形時間曲線Fig．6 Deformation of secondary lining at DK357+773．3 crosssection of Liangshui tunnel Vs time

2．1．5 變形具有明顯的階段性和空間分布的不均勻性

從隧道變形和破壞情況看，兩水隧道在不同地段變形特征有所不同，在同一斷面拱頂下沉大于水平收斂。從施工步驟看，變形具有明顯的階段性，一般上臺階開挖時，平均變形速率達40 mm/d，變形占總變形量的40%左右;中臺階開挖時，變形速率也約為40 mm/d，變形占總變形量的35%左右;下臺階和仰拱開挖時，變形速率約為20 mm/d。

2．2 變形破壞特征

2．2．1 支護破壞形式多樣

由于原始應力狀態因方向而異，圍巖也具有各向異性，初期支護受力不均勻，破壞形式呈多樣性［6］。兩水隧道變形和初期支護破壞表現為拱頂嚴重下沉，邊墻內擠嚴重，噴混凝土長段落的開裂、壓碎、剝落，鋼拱架嚴重扭曲變形，個別地段鋼架呈“麻花狀”。斜井井身段變形破壞尤為嚴重，前后共4次拆換拱都未能有效控制變形。

2．2．2 掌子面變形破壞

掌子面在隧道開挖前外鼓變形，擠出明顯，封閉掌子面的噴混凝土多處開裂、剝落，個別地段掌子面附近鋼架明顯剪斷，如圖7所示。

圖7 掌子面鋼架剪斷Fig．7 Damage of steel arch at working face

2．2．3 圍巖變形破壞范圍大

軟巖隧道洞周塑性區較硬巖塑性區大，破壞范圍也更大，洞周塑性區一般深度為6 m，若支護形式不合理或支護不及時，其破壞范圍可能更大(甚至達到5倍洞徑)。一般錨桿長度達不到原巖深度，錨桿支護基本沒有效果或效果極差，往往是導致支護失效破壞的根本原因。

2．2．4 二次襯砌變形破壞

兩水隧道襯砌破壞形式多樣，存在斜向、環向和縱向裂縫，局部段落出現二次襯砌表面混凝土剝落、鋼筋扭曲外鼓(見圖8)，二次襯砌裂縫的位置和形態因隧道區段而不同。如洞身DK357+766～+776段二次襯砌拱部出現縱向裂縫，混凝土保護層大面積剝落，二次襯砌鋼筋扭曲、外鼓錯斷;DK359+317～+387段拱部襯砌良好，而左側邊墻距墻腳0～2 m處縱向開裂(寬度1～10 cm)，如圖9所示。

圖8 襯砌鋼筋扭曲外鼓Fig．8 Twist of steel bar of lining

圖9 墻腳開裂Fig．9 Cracks on the side wall foot

3 兩水隧道軟巖大變形機理及變形規律分析

3．1 軟巖隧道變形機理

高地應力和軟弱圍巖是兩水隧道發生擠壓性大變形的主要原因。蘭渝鐵路位于青藏高原隆升區邊緣地帶，地質環境極為復雜特殊，擠壓構造作用強烈，尤其是現今青藏高原隆升及其向北東的持續擴展擠壓作用，使得其地質構造極為復雜，地應力水平多為高-極高，隧道開挖揭示圍巖具有顯著的擠壓特性。隧道開挖后，軟巖原始平衡狀態被打破，應力發生重分布，此時儲存在圍巖內部的地應力勢必要釋放，表現為擠壓性大變形［7］。另外，由于兩水隧道圍巖為千枚巖及炭質千枚巖，圍巖大體上為層狀結構，節理裂隙發育，且層間存在軟弱夾層，開挖卸載后，由于裂隙發育的不均勻造成局部應力集中，原本在高地應力和自重應力作用下閉合的節理張開、擴張，部分圍巖切割為碎裂狀(如圖10(a)所示);同時受圍巖壓力及高地應力作用，圍巖成壓密狀，由于隧道開挖后應力釋放和重分布，導致原本壓實閉合的結構面張開滑移，以及圍巖巖體進一步碎裂，圍巖即刻呈松散狀(如圖10(b)所示)。

3．2 變形破壞規律

圓形均質地層塑性區半徑

由式(1)可知，軟巖隧道的變形特性及穩定性(塑性區)取決于地應力、圍巖的力學特性、開挖斷面等，且與圍巖的支護條件密切相關。

3．2．1 強度應力比

由式(1)可知，軟巖隧道在開挖斷面(洞徑)一定時，洞壁位移隨圍巖強度應力比的減小而增大。當Rc/P0＜0．5時，洞壁位移增長加速;而當 Rc/P0＜0．2時，洞壁位移急驟增長，如圖11所示。

圖10 兩水隧道2種變形機理Fig．10 Two types of deformation mechanisms of Liangshui tunnel

圖11 相對位移與圍巖強度應力比的關系Fig．11 Correlation between relative displacement and rock strength stress ratio(Rc/P0)

3．2．2 支護抗力(Pi)

由式(1)可知，隧道位移隨支護抗力的增大而減小。當支護抗力在0～0．5 MPa變化時，隧道位移明顯減小;而當支護抗力在0．5～1．0 MPa變化時，隧道位移減小緩慢，如圖12所示。此時一味依賴提高支護剛度來減小隧道位移是不合理的。

3．2．3 初始地應力場

由式(1)可知，在圍巖力學特性(強度應力比)一致時，初始應力與隧道位移呈線性變化。初始地應力越大，隧道位移越大，且隨著圍巖條件的不同而變化，強度越低的圍巖，隧道位移增長越快。隧道相對位移與初始地應力的關系曲線如圖13所示。

3．2．4 開挖斷面

由式(1)可知，隧道位移與洞徑成線性變化，隨開挖斷面的增大而增大，雙線隧道位移遠遠大于單線隧道。其隧道位移與相應洞徑成正比關系，見圖14。

圖12 兩水隧道支護抗力與隧道位移的關系Fig．12 Correlation between crown settlement of Liangshui tunnel and support stress

圖13 隧道相對位移與初始地應力的關系曲線Fig．13 Correlation between relative displacement and initial ground stress of Liangshui tunnel

圖14 隧道絕對位移與洞徑的關系曲線Fig．14 Correlation between absolute displacement and tunnel diameter

4 兩水隧道變形控制技術研究

軟巖隧道開挖后很容易產生大變形并迅速發展，如果施工方法和支護措施得當，變形就有可能得到控制。反之，即使支護封閉后，變形還會發展，導致支護發生破壞。因此，施工階段大變形的發展規律和控制技術是軟巖隧道施工的關鍵。

4．1 加大預留變形量

加大預留變形量能防止大變形后初期支護侵限，同時，較大的預留變形量能夠使初期支護產生較大的位移，較大程度地釋放地應力，減少作用在二次襯砌上的荷載，有利于隧道結構安全。但預留變形量控制不當，也會造成二次襯砌厚度不足，影響運營安全。兩水隧道施工過程中，根據其變形情況和圍巖分布情況，個別地段預留變形量調整為80 cm，很大程度減少了初期支護侵限，同時也有效地釋放了圍巖壓力，減小了二次襯砌的壓力，滿足了現場施工要求。

4．2 優化工法

軟巖隧道的變形與時間、工序密切相關，控制軟巖大變形重點應突出“快”，即“快挖、快支、快封閉”。“快挖”要求縮短開挖周期，減少施工擾動;“快支護”要求開挖后及時封閉巖面，保護原巖，防止圍巖暴露時間過長而惡化圍巖條件;“快封閉”則要求支護結構在最短的時間發揮最有效的作用。監測表明，支護盡早成環可改善支護受力條件，有效抵抗圍巖壓力，極大地減緩圍巖變形速率。

實踐證明，軟巖隧道最有效的工法是微臺階法，微臺階可縮短封閉時間，支護及早封閉成環。施工時核心土長約3 m，高約2．5 m。上、中、下臺階長分別保持在3～5 m，5 m和6～7 m，下臺階距離仰拱15 m，仰拱距掌子面距離不大于35 m。兩水隧道現場變形監測數據表明，軟巖隧道前9～15 d變形控制尤為重要，施工時建議下臺階接腿時間不超過9 d，仰拱封閉時間不超過15 d，必要時可設置臨時仰拱或橫撐以控制變形。

4．3 大剛度支護

針對兩水隧道志留系千枚巖及炭質千枚巖地層高地應力大變形的特點，根據“加強初期支護強度及剛度，寧強勿弱，杜絕拆換”的原則進行施工。考慮到軟巖隧道破壞范圍較大，塑性區較深，采用加大型鋼鋼架(Ⅰ20b調整為 H175，縱向間距由0．6 m 調整為0．5 m)及噴30 cm厚C25混凝土的大剛度支護體系。根據兩水隧道軸向水平擠壓應力大于橫向水平擠壓應力的特征，施工時加強鋼架縱向連接，結合兩水隧道變形特點，拱部鋼架間設置工16縱向連接鋼架，確保鋼架沿隧道縱向的整體性和剛度。

采用大剛度支護后，拱頂最大下沉412 mm，拱腳最大水平收斂383．6 mm，墻腰最大水平收斂187．2 mm，遠小于一般段的變形，變形基本可控。施工中鋼架整體支護效果明顯要好于一般段，特別是水平方向無扭曲，無失穩，初期支護破壞和侵限、拆換現象明顯減少。但在千枚巖強烈揉皺高地應力區，即使采用H175作為鋼拱架，仍不足以抗衡圍巖壓力，仍存在局部扭曲等現象。

4．4 多重支護

根據兩水隧道變形和地質情況，結合現場測試及支護參數，支護結構采用“多重支護”，即分層初期支護和分層二次襯砌等支護和襯砌形式［8］。施工時根據“邊放邊抗”的支護原則，適當加強第一次支護剛度，充分利用注漿小導管和長錨桿控制圍巖大變形，選擇合適時機及時施作二次支護。第一次支護容許圍巖變形，但同時又能限制圍巖過度變形，釋放地應力;而設置二次支護后，圍巖壓力和支護抗力得到平衡，使隧道穩定，從而控制隧道發生大變形。

采用單層支護(H175型鋼鋼架，縱向間距0．5 m)方案時，隧道變形一般在600～700 mm，最大日變形速率為107 mm/d左右;根據“邊放邊抗”原則，采用雙層初期支護方案(H175+Ⅰ18型鋼鋼架，縱向間距分別為0．5 m和1 m)分2次(噴C25混凝土厚28+20 cm)施作時，變形一般在150～350 mm，最大變形速率為25 mm/d，變形得到了有效控制。兩水隧道雙層支護試驗段變形量測縱向分布曲線如圖15所示。

4．5 適時施作二次襯砌

國內外軟巖隧道實踐表明，軟弱圍巖在高地應力影響下流變特性顯著，變形大，持續時間長，且難以穩定，很難在短時間內達到規范要求的穩定值，特別是圍巖強度應力比極低時，在施工后2～3年內，甚至5～6年才能最終穩定。若等圍巖完全穩定，一是所需時間非常長，二是軟巖若要達到平衡狀態需將其儲存在巖體內的能量以變形的形式釋放，勢必產生較大的位移，其將牽動深層圍巖，過度松弛而引發洞周深處圍巖閉合裂隙張開、松動，在地下水作用下，產生更大的圍巖壓力、發生更大的變形，導致原有初期支護結構破壞，形成拆換等惡性循環。故需適時施作二次襯砌，澆筑“剛強”結構，以抵抗余存的變形壓力，維護隧道及圍巖的整體穩定。因此適時施作二次襯砌是穩定變形經濟、有效的方法［9］。

隧道二次襯砌施作時機應根據所測位移或回歸分析所得最終位移量、位移速度及其變化趨勢、隧道埋深、開挖斷面大小、圍巖等級、支護所受壓力、應力及應變等進行綜合分析判定，施工時根據兩水隧道變形情況、支護受力狀態及初期支護表面裂縫發展情況等綜合考慮，結合專家意見，將兩水隧道二次襯砌施作時機定為4 mm/d(平均值7 d)，同時將二次襯砌結構進行適當加強。通過調整二次襯砌施作時機，基本杜絕了初期支護變形過大破壞、侵限拆換等問題，二次襯砌襯砌也無開裂破壞等現象，施工效果良好。

圖15 兩水隧道雙層支護試驗段變形量測縱向分布曲線Fig．15 Longitudinal distribution of deformation of testing section with double-layer support of Liangshui tunnel

4．6 動態管理與信息化施工

在施工影響下隧道都會產生一定的變形，大變形是相對正常變形而言的。施工中的變形不能一概而論，談“變”色變，凡是變形都采用強支護等措施。兩水隧道參照以往大變形隧道施工經驗，根據現場施工和科研情況，在研究大變形的圍巖特性、變形規律及機制的基礎上，結合兩水隧道的圍巖特性、變形特征及地質條件，將大變形分為設計與施工2個階段，并對大變形進行了分級(見表1)，制定了相應的支護參數［10］(見表2)。施工過程中加強對洞周位移、初期支護和二次襯砌進行測試與分析，同時加大地質超前預報，對未施工段地質情況做到胸中有數，因地制宜，及時調整，真正達到信息化施工、動態控制的目的。

表1 兩水隧道大變形分級標準(適用于雙線隧道)Table 1 Classification standard of serious deformation of Liangshui tunnel(applicable to double-track railway tunnels)

表2 兩水隧道大變形分級支護參數表(適用于雙線隧道)Table 2 Support parameters to cope with different grades of serious deformation in Liangshui tunnel(applicable to double-track railway tunnels)

5 結論與建議

隨著我國鐵路建設步伐的加快，將會遇到越來越多的高地應力軟巖隧道，因此非常有必要對此開展深入研究。本文通過對高地應力條件下兩水隧道變形特征、破壞特征、變形規律及變形控制技術進行系統地分析研究，得出以下結論并給出建議。

1)兩水隧道洞身圍巖為千枚巖及炭質千枚巖，屬極軟巖，受高地應力影響，施工時發生擠壓性大變形，變形速率高、持續時間長、強烈且不均勻，圍巖變形和隧道破壞嚴重。同時由于原始應力狀態因方向而異，支護破壞形式呈多樣性。

2)高地應力軟巖隧道的變形特性及穩定性(塑性區)取決于地應力、圍巖的力學特性、開挖斷面大小等，且與圍巖的支護條件密切相關。

3)高地應力軟巖隧道施工時應根據變形及破壞情況，采用合理的預留變形量、加大支護剛度、多重支護等技術措施，優化施工工法，調整施工步距，堅持“快挖、快支、快封閉，二次襯砌實施緊跟”的原則，以便有效控制隧道變形。

4)施工時應結合現場變形及圍巖情況對大變形進行分級動態管理，做到“巖變我變”動態施工，加強現場信息化監測，建議將大變形分為設計、施工2個階段，對大變形進行分級并制定相應的支護參數，動態控制、信息化施工，有力保障高地應力軟巖隧道順利施工。

5)高地應力軟巖隧道變形控制是世界性的難題，本工程雖然進行了有效的探索，但仍需對軟巖大變形的機理、特征、預測及施工技術進行深入研究，以便形成軟巖隧道勘察、設計、施工成套技術，以降低成本，減小施工風險。

［1］張祉道．關于擠壓性圍巖隧道大變形的探討和研究［J］．現代隧道技術，2003，40(2):5-12，40．(ZHANG Zhidao．Discussion and study on large deformation of tunnel in squeezing ground［J］．Modern Tunnelling Technology，2003，40(2):5-12，40．(in Chinese))

［2］李國良，朱永全．烏鞘嶺隧道高地應力軟弱圍巖大變形控制技術研究［J］．鐵道工程學報，2008，25(3):54-59．(LⅠGuoliang，ZHU Yongquan．Control technology for large deformation of highland stressed weak rock in Wushaoling tunnel［J］．Journal of Railway Engineering Society，2008，25(3):54-59．(in Chinese))

［3］趙旭峰，王春苗．烏鞘嶺隧道F7軟弱斷層大變形控制技術［J］．施工技術，2006，35(2):62-64，79．(ZHAO Xufeng，WANG Chunmiao．Control technology of large deformation of Wushaoling tunnel F7 soft faultage［J］．Construction Thchnology，2006，35(2):62-64，79．(in Chinese))

［4］中鐵第一勘察設計院集團有限公司，蘭州交通大學．蘭渝鐵路地應力測試及宏觀拓展分析報告［R］．西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011．

［5］李廷春．毛羽山隧道高地應力軟巖大變形施工控制技術［J］．現代隧道技術，2011，48(2):59-67．(LⅠTingchun．Large deformation control technology for Maoyushan tunnel in soft rock under high in-situ stresses［J］．Modern Tunnelling Technology，2011，48(2):59-67．(in Chinese))

［6］劉志春，朱永全，李文江，等．擠壓性圍巖隧道大變形機理及分級標準研究［J］．巖土工程學報．2008，30(5):690-697．(LⅠU Zhichun，ZHU Yongquan LⅠWenjiang，et al．Mechianiam and classification criterion for large deformation of squeezing ground tunnels［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(5):690-697．(in Chinese))

［7］姜云，李永林，李天斌，等．隧道工程圍巖大變形類型與機制研究［J］．地質災害與環境保護，2004，15(4):46-51．(JⅠANG Yun，LⅠYonglin，LⅠTianbin，et al．Study of the classified system of types and mechanism of great distortion in tunnel and underground engineering［J］．Journal of Geotechnical Hazards and Engineering Preservation，2004，15(4):46-51．(in Chinese))

［8］中鐵第一勘察設計院集團有限公司，石家莊鐵道大學．兩水隧道炭質千枚巖支護結構及施工技術研究報告［R］．西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011．

［9］劉高，張帆宇，李新召，等．木寨嶺隧道大變形特征及機理分析［J］．巖石力學與工程學報，2005(S2):5521-5526．(LⅠU Gao，ZHANG Fanyu，LⅠXinzhao，et al．Research on large deformation and its mechanism of Muzhailing tunnel［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005(S2):5521-5526．(in Chinese))．

［10］中鐵第一勘察設計院集團有限公司．新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段特殊地質隧道變形控制技術專題研究報告［R］．西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011．